CN107331497B - 快脉冲直线变压器的初级放电单元及其制作方法及变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及脉冲功率技术领域，尤其涉及一种快脉冲直线变压器的初级放电单元及其制作方法及变压器，该初级放电单元包括两个电容器、气体火花开关、支撑壳体与开关电容连接部件，支撑壳体包括中心套筒、绝缘隔板；电容器为环形电容器，电容器的外壳与支撑壳体中心套筒的侧壁及绝缘隔板共同形成环形密封腔体；电容芯子、电容高压引出端与电容低压引出端均位于环形密封腔体内；气体火花开关设置于中心套筒与开关电容连接部件形成的密封腔室内；气体火花开关的电极与电容器的电容高压引出端通过开关电容连接部件连接。多间隙气体火花开关与高压脉冲电容器形成一体化模块，减小了初级放电单元的外形尺寸，有利于FLTD模块的小型化设计。

Description

快脉冲直线变压器的初级放电单元及其制作方法及变压器

技术领域

本发明涉及脉冲功率技术领域，尤其涉及一种应用于快脉冲直线变压器(FLTD)的初级放电单元及其制作方法及具有该初级放电单元的快脉冲直线变压器，主要特点是开关与电容器形成一体化组合方式和同轴型放电回路，能够用于FLTD的部件组成结构改进和放电回路参数优化。

背景技术

脉冲功率技术是一种以较低的功率储存电场(磁场)能量，再以高功率脉冲电磁能量释放到特定负载的电物理技术。脉冲功率装置在可控惯性约束聚变、高功率激光、高功率微波等领域具有非常广泛的应用，而根据这些应用的要求，又推动了脉冲功率技术向极快速、高功率、紧凑化、小型化等方向发展。

FLTD是一种新型脉冲功率装置，具有结构紧凑、模块化设计、串并联方便等特点，能够直接驱动负载，相对于传统装置技术优势明显、发展潜力巨大。FLTD工作原理：单级模块内变压器的多个初级放电支路并联励磁，实现大电流输出；若干个模块次级回路共用、串联放电，实现高电压输出。

FLTD是将放电回路化整为零，这样使得输出脉冲波形和组成结构主要由单元电路参数和结构尺寸决定。初级放电单元主要由开关和电容器组成，它们之间合理的组合装配方式与放电回路结构，不但能够减小初级单元外形尺寸，而且可以降低回路电感，进而减小放电时间、增大放电电流，有利于实现FLTD的小型化和快脉冲、大电流输出。

当前，FLTD采用的初级放电单元结构如图4：电容器17和18为100kV、方块状、双端引出、绝缘外壳的高压脉冲电容器，电容器17和18平行放置，分别正负充电；放电开关19采用正负加电的200kV高压气体火花开关，在电容器17和18一侧，开关19分别与电容器17和18的高压端相接、串联放电。这种独立器件组合结构和“U”型放电回路，还存在较大的电路结构和参数优化空间。

发明内容

为了解决现有FLTD初级单元器件独立布放、结构不紧凑的问题，本发明提供一种开关与电容一体化、同轴型布置的初级放电单元，该单元可形成紧凑的电路结构。

本发明的技术解决方案是提供一种初级放电单元，包括两个电容器及气体火花开关，其特殊之处在于：

还包括支撑壳体与开关电容连接部件，上述支撑壳体包括中心套筒、设置在中心套筒外壁的绝缘隔板及设置在中心套筒上的充气嘴和触发针；上述开关电容连接部件与中心套筒形成密封腔室；

上述电容器为环形电容器，包括外壳、电容芯子、分别位于电容芯子两端的电容高压引出端与电容低压引出端；电容器的外壳与支撑壳体中心套筒的侧壁及绝缘隔板共同形成环形密封腔体；电容芯子、电容高压引出端与电容低压引出端均位于环形密封腔体内；

两个电容器分别套装在中心套筒上，分别位于绝缘隔板的上方与下方，且两个电容器的电容低压引出端分别固定在绝缘隔板的上表面与下表面；

(此处，上、下以图1中竖直方向为参考；绝缘隔板相对的两个表面中，位于上方的为上表面，位于下方的为下表面；)

上述气体火花开关设置于中心套筒与开关电容连接部件形成的密封腔室内；

上述气体火花开关的电极与电容器的电容高压引出端通过开关电容连接部件连接。

将两只电容器设计成套筒结构，开关嵌套放入两个套筒内部，电容高压引出端与开关电极在两端相接，低压输出电极在中路汇聚，形成紧凑的同轴型放电回路；开关与电容三个器件之间所有的高压部位采用体绝缘方式，避免出现沿面绝缘。

优选地，上述电容芯子包括高压储能电容芯子与设置在高压储能电容芯子内侧的均压电容芯子。

优选地，上述气体火花开关为多间隙气体火花开关；上述均压电容芯子包括多个环形极板，各极板与电容高压引出端之间的垂直距离各不相同，与电容高压引出端相邻的极板与电容高压引出端相连，与电容低压引出端相邻的极板与电容低压引出端相连，多个环形极板形成多个串联的电容，环形极板的位置与开关间隙呈对应关系。电容与开关多个电极间的电场分布相互配合，保证多间隙开关各个间隙的电压均匀分布。

优选地，为了与电容低压引出端形成均压电容，与电容低压引出端相邻的极板的横截面呈“L”型。

优选地，为了增加初级放电单元的沿面绝缘能力，上述外壳为波浪结构。

优选地，为了形成良好的体绝缘，利用熔接技术将外壳与支撑壳体连接。

本发明还提供一种上述初级放电单元的制作方法，包括以下步骤：

1)、将两个电容器的电容低压引出端固定于支撑壳体的绝缘隔板上；

2)、将两个电容器的电容芯子压接到电容低压引出端；

3)、通过外壳将电容高压引出端压接在电容芯子的顶端；将外壳与支撑壳体的中心套筒及绝缘隔板连接；

4)、将气体火花开关置于中心套筒中，利用螺钉穿过开关电容连接部件及外壳后与电容高压引出端相连。

优选地，上述步骤2)具体为，首先将高压储能电容芯子同轴嵌套在均压电容芯子外侧，形成电容芯子，然后将电容芯子同轴嵌套在支撑壳体的中心套筒外侧，并压接到电容低压引出端；步骤3)具体通过熔接技术将外壳与支撑壳体的中心套筒及绝缘隔板连接。

本发明还提供一种包括上述初级放电单元的快脉冲直线变压器。

本发明的有益效果是：

1、多间隙气体火花开关与高压脉冲电容器形成一体化模块，减小了初级放电单元的外形尺寸，有利于FLTD模块的小型化设计；

2、气体火花开关和高压脉冲电容器采用内外同轴型布放方式，紧凑的同轴型放电回路，降低初级放电支路电感，优化放电回路参数，提高FLTD输出性能；

3、气体火花开关与电容器形成一个整体，降低了初级放电单元在FLTD模块中安装与拆卸的难度；

4、均压电容与多间隙气体火花开关形成均匀的间隙电场分布，为多间隙气体火花开关提供了稳定的工作环境，无论在何种场合使用初级放电单元，放置在电容内部的气体火花开关工作环境不变，提高气体火花开关的工作稳定性。

附图说明

图1是本发明初级放电单元的整体纵剖面结构图；

图2是本发明初级放电单元的俯视图；

图3是本发明多间隙气体火花开关与均压电容的电极位置分布局部剖面图；

图4是现有的FLTD初级放电单元电路结构示意图。

图中附图标记为：1‐上高压储能电容芯子，2‐下高压储能电容芯子，3‐上均压电容芯子，31、32、33、34、35、36‐均压电容芯子的环形电容极板，4‐下均压电容芯子，5‐上外壳，6‐下外壳，7‐上电容高压引出端，8‐下电容高压引出端，9‐上电容低压引出端，10‐下电容低压引出端，11‐上开关电容连接部件，12‐下开关电容连接部件，13‐支撑壳体，131‐中心套筒，132‐绝缘隔板，14‐多间隙气体火花开关，141、142、143、144‐开关电极，15‐充气嘴，16‐触发针，17‐+100kV电容器，18‐‐100kV电容器，19‐正负加电的200kV高压气体火花开关。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。需要说明的是，下述描述中“上”、“下”以图1中竖直方向为参考；图1中上部即为“上”，下部即为“下”。

本实施例初级放电单元包括支撑壳体13、上环形电容器、下环形电容器及多间隙气体火花开关14；支撑壳体13包括中心套筒131、设置在中心套筒外壁的环形绝缘隔板132及设置在中心套筒上的充气嘴15和触发针16；上环形电容器包括上高压储能电容芯子1与设置在上高压储能电容芯子1内侧的上均压电容芯子3；下环形电容器包括下高压储能电容芯子2与设置在下高压储能电容芯子2内侧的下均压电容芯子4；上高压储能电容芯子1与上均压电容芯子3的顶端为上电容高压引出端7，底端为上电容低压引出端9；下高压储能电容芯子2与下均压电容芯子4的顶端均为下电容高压引出端8，底端为下电容低压引出端10，定义靠近绝缘隔板的一端为电容芯子的底端，其相对端即为顶端，上电容低压引出端9固定于环形绝缘隔板132上表面，下电容低压引出端10固定于环形绝缘隔板132下表面。

上均压电容芯子3与下均压电容芯子4均包括由六个环形极板构成串联电容，环形极板的位置与开关间隙呈对应关系，如图3所示，由于多间隙气体火花开关14和两个环形电容器的结构呈轴对称和上、下对称，因此图3仅给出了对称部分的初级放电单元局部示意图。极板36(即与电容低压引出端相邻的极板)的横截面呈“L”型，目的是可以与电容低压引出端形成均压电容；极板31和极板32、极板32和极板33、极板33和极板34、极板34和35、极板35和36、极板36和电容低压引出端形成6个电容量相同的串联均压电容。各极板与电容高压引出端之间的垂直距离各不相同，极板31(即与电容高压引出端相邻的极板)与电容高压引出端相连；6个极板之间采用介质薄膜绝缘(与电容芯子的卷绕方式一样)，6个极板的位置和尺寸与开关各个电极(141、142、143、144)之间的对应关系需要利用电场仿真软件计算给出，不同间距、尺寸的开关电极，其均压电容极板的位置和尺寸也不相同。

上环形电容器还包括上外壳5，该外壳与支撑壳体13的中心套筒131及环形绝缘隔板132构成密封腔体，上高压储能电容芯子1、上均压电容芯子3、上电容高压引出端7及上电容低压引出端9均位于该密封腔体内部；下环形电容器还包括下外壳6，该外壳与支撑壳体13的中心套筒131及环形绝缘隔板132构成密封腔体，下高压储能电容芯子2、下均压电容芯子4、下电容高压引出端8及下电容低压引出端10均位于该密封腔体内部；上开关电容连接部件11、下开关电容连接部件12与中心套筒131形成密封腔室。

多间隙气体火花开关14设置于支撑壳体13的中心套筒131与开关电容连接部件形成的密封腔室内，多间隙气体火花开关14的电极通过开关电容连接部件与电容高压引出端连接，具体的开关电容连接部件的中段与气体火花开关的电极连接，开关电容连接部件的四周利用螺钉穿过外壳后与电容器的电容高压引出端相连。

本发明的装配过程是，上电容低压引出端9和下电容低压引出端10分别采用模具浇筑的方法固定于支撑壳体13的绝缘隔板132上，上高压储能电容芯子1同轴嵌套在上均压电容芯子3外侧，形成上电容芯子，上电容芯子同轴嵌套在支撑壳体13的中心套筒外侧，并与上电容低压引出端9压接在一起，采用相同的方法，形成下电容芯子，并将其与下电容引出端10压接在一起。上均压电容3和下均压电容4分别由6个环形极板形成的串联电容构成，环形极板的位置与开关间隙呈对应关系。上电容高压引出端7和下电容高压引出端8通过上外壳5和下外壳6分别压接在上均压电容3、上高压储能电容芯子1和下均压电容4、下高压储能电容芯子2顶端，同时，上外壳5与下外壳6分别利用熔接技术与支撑壳体13形成良好的体绝缘连接。多间隙气体火花开关14置于支撑壳体13的中心套筒中，上开关电容连接部件11和下开关电容连接部件12利用螺钉穿过上外壳5和下外壳6后分别与上电容高压引出端7和下电容高压引出端8相连。充气嘴15和触发针16从支撑壳体13的侧面中部位置引入到支撑壳体13的中心套筒中，为多间隙气体火花开关14进行充气及触发。充气嘴15和触发针16在同一平面，呈120°夹角放置(如图2)。

合理选取初级放电单元各部件的参数，上高压储能电容芯子1和下高压储能电容芯子2均选取容量为40nF，结构为环形圆柱型，多间隙气体火花开关14的最高工作电压为200kV，为增加初级放电单元的沿面绝缘能力，上外壳5和下外壳6均设计了波浪结构。

本发明的说明书已经对发明内容给出了充分的说明，各组件的具体参数可以根据实际需求设定，普通技术人员足以通过本发明说明书的内容加以实施。在权利要求的框架下，任何基于本发明思路的改进都属于本发明的权利范围。

Claims (9)

1.一种快脉冲直线变压器的初级放电单元，包括两个电容器及气体火花开关，其特征在于：还包括支撑壳体与开关电容连接部件，所述支撑壳体包括中心套筒、沿中心套筒外壁周向设置的绝缘隔板及设置在中心套筒上的气体火花开关的充气嘴和触发针；所述开关电容连接部件与中心套筒形成密封腔室；

所述电容器为环形电容器，包括外壳、电容芯子、分别位于电容芯子两端的电容高压引出端与电容低压引出端；

电容器的外壳与支撑壳体中心套筒的侧壁及绝缘隔板共同形成环形密封腔体；电容芯子、电容高压引出端与电容低压引出端均位于环形密封腔体内；

两个电容器分别套装在中心套筒上，分别位于绝缘隔板的上方与下方，且两个电容器的电容低压引出端分别固定在绝缘隔板的上表面与下表面；

所述气体火花开关设置于中心套筒与开关电容连接部件形成的密封腔室内；

所述气体火花开关的电极与电容器的电容高压引出端通过开关电容连接部件连接。

2.根据权利要求1所述的快脉冲直线变压器的初级放电单元，其特征在于：所述电容芯子包括高压储能电容芯子与设置在高压储能电容芯子内侧的均压电容芯子。

3.根据权利要求2所述的快脉冲直线变压器的初级放电单元，其特征在于：所述气体火花开关为多间隙气体火花开关；所述均压电容芯子包括多个环形极板，各极板与电容高压引出端之间的垂直距离各不相同，与电容高压引出端相邻的极板与电容高压引出端相连，与电容低压引出端相邻的极板与电容低压引出端相连，多个环形极板形成多个串联的电容，环形极板的位置与开关间隙呈对应关系。

4.根据权利要求3所述的快脉冲直线变压器的初级放电单元，其特征在于：与电容低压引出端相邻的极板的横截面呈“L”型。

5.根据权利要求4所述的快脉冲直线变压器的初级放电单元，其特征在于：所述外壳为波浪结构。

6.根据权利要求1‐5任一所述的快脉冲直线变压器的初级放电单元，其特征在于：外壳与支撑壳体熔接。

7.一种权利要求1‐6任一所述的快脉冲直线变压器的初级放电单元的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、将两个电容器的电容低压引出端固定于支撑壳体的绝缘隔板上；

2)、将两个电容器的电容芯子压接到电容低压引出端；

3)、通过外壳将电容高压引出端压接在电容芯子的顶端；将外壳与支撑壳体的中心套筒及绝缘隔板连接；

4)、将气体火花开关置于中心套筒中，利用螺钉穿过开关电容连接部件及外壳后与电容高压引出端相连。

8.根据权利要求7所述的初级放电单元的制作方法，其特征在于：步骤2)具体为，首先将高压储能电容芯子同轴嵌套在均压电容芯子外侧，形成电容芯子，然后将电容芯子同轴嵌套在支撑壳体的中心套筒外侧，并压接到电容低压引出端；步骤3)具体通过熔接技术将外壳与支撑壳体的中心套筒及绝缘隔板连接。

9.一种快脉冲直线变压器，其特征在于：包括权利要求1‐5任一所述的初级放电单元。